Массивы наноалмазов растянули, чтобы использовать их в микроэлектронике

Ученые нашли способ деформировать наноалмазы так, чтобы изменить их электронные свойства. Это поможет создать алмазные материалы, применимые в электронной технике.
Массивы наноалмазов растянули, чтобы использовать их в микроэлектронике

Dang Chaoqun / City University of Hong Kong

До сих пор считалось, что растянуть алмазы и использовать их в качестве полупроводников практически невозможно. Но ученые показали, что наноалмазы можно обработать так, чтобы их можно было внедрить в мироэлектронные устройства

Хорошо известные своей твердостью, алмазы обычно находили применение в резке, сверлении или шлифовании. Но алмаз также считается высокоэффективным электронным и фотонным материалом благодаря своей сверхвысокой теплопроводности, исключительной подвижности носителей заряда, высокому напряжению пробоя и сверхширокой запрещенной зоны. Полоса пропускания является ключевым свойством полупроводника — если она широкая, то позволяет внедрять материал в мощные или высокочастотные устройства.

Большая запрещенная зона и плотная кристаллическая структура алмаза затрудняют легирование — распространенный способ изменения электронных свойств полупроводников в процессе производства. Потенциальная альтернатива легированию — «тензоинженерия», при которой решетка материала сильно деформируется, из-за чего изменяется зонная структура полупроводника и связанные с ней функциональные свойства. Ранее считалось, что такой метод неприменим для алмаза из-за его высокой твердости.

Но авторы нового исследования показали, что наноалмазы можно изогнуть довольно сильно. Чтобы сделать это, исследователи сначала получили алмазные частицы в форме мостов, после чего соосно растягивали их, используя электронный микроскоп. В циклах непрерывной и контролируемой нагрузки-разгрузки на растяжение алмазные мостики показали очень равномерную, большую упругую деформацию около 7,5%. После оптимизации метода исследователи смогли увеличить это значение до 9,7%.

Затем ученые выполнили расчеты по теории функционала плотности, чтобы оценить влияние упругого напряжения от 0 до 12% на электронные свойства алмаза. Результаты моделирования показали, что ширина запрещенной зоны материала обычно уменьшается по мере увеличения степени деформации, причем наибольшая скорость уменьшения запрещенной зоны наблюдается при деформации около 9% вдоль определенного направления в кристалле. 

Ученые показали, что зонную структуру алмаза можно обратимо изменять. Это значит, что такой материал может найти применение в различных областях — от микро/наноэлектромеханических систем и тензоинженерных транзисторов до новых оптоэлектронных и квантовых технологий.